材料力學(xué)性能(5)

1、材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能第五章第五章 材料在交變載荷下的力學(xué)行為材料在交變載荷下的力學(xué)行為5.1 5.1 變動(dòng)載荷（應(yīng)力）和疲勞破壞的特征變動(dòng)載荷（應(yīng)力）和疲勞破壞的特征5.2 高周疲勞高周疲勞5.3 低周疲勞低周疲勞5.4 熱疲勞熱疲勞 5.5 疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展 5.6 疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)理疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)理5.7 防止裂紋萌生與擴(kuò)展的措施防止裂紋萌生與擴(kuò)展的措施 第五章第五章 材料在交變載荷下的力學(xué)行為材料在交變載荷下的力學(xué)行為5.1 5.1 變動(dòng)載荷（應(yīng)力）和變動(dòng)載荷（應(yīng)力）和疲勞疲勞破壞的特征破壞的特征 變動(dòng)載荷（應(yīng)力）變動(dòng)載荷（應(yīng)力）周期變動(dòng)周期變動(dòng)載荷載荷： 按一定規(guī)

2、律呈周期性變化按一定規(guī)律呈周期性變化隨機(jī)變動(dòng)載荷隨機(jī)變動(dòng)載荷： 無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷 5.1.1 5.1.1 變動(dòng)載荷（應(yīng)力）及其描述參量變動(dòng)載荷（應(yīng)力）及其描述參量 （1 1）波形：正弦曲線為主，）波形：正弦曲線為主，還還有三角形波、梯形波等有三角形波、梯形波等 （2 2）（3 3）平均應(yīng)力）平均應(yīng)力 （4 4）應(yīng)力比）應(yīng)力比R R（循環(huán)的不對稱程度）（循環(huán)的不對稱程度） minmax和最小應(yīng)力最大應(yīng)力am和應(yīng)力半幅2minmaxm2minmaxamaxmin/RR=-1為對稱循環(huán) 5 5個(gè)描述參量個(gè)描述參量特征特征5.1.2 疲勞破壞特征和斷口疲勞破壞特征和斷口 基本特

3、征：基本特征：（1 1）擾動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)應(yīng)力（隨時(shí)間變化的應(yīng)力）下；（隨時(shí)間變化的應(yīng)力）下；（2 2）源于源于高應(yīng)力或高應(yīng)變的高應(yīng)力或高應(yīng)變的局部局部；（3 3）突發(fā)性脆斷突發(fā)性脆斷（無論靜載下脆性與否）；（無論靜載下脆性與否）；（3 3）是一個(gè)發(fā)展過程是一個(gè)發(fā)展過程 裂紋萌生、擴(kuò)展、斷裂，其經(jīng)歷時(shí)間為裂紋萌生、擴(kuò)展、斷裂，其經(jīng)歷時(shí)間為“壽命壽命”。循環(huán)，內(nèi)部損傷，積累，固有的壽命或塑性耗盡疲勞積累損傷疲勞積累損傷5.2 高周疲勞高周疲勞 定義：定義： 小型試樣在變動(dòng)載荷時(shí)，疲勞斷裂壽命小型試樣在變動(dòng)載荷時(shí)，疲勞斷裂壽命105周次的疲勞周次的疲勞特點(diǎn)：特點(diǎn)： 交變應(yīng)力水平處于彈性變形范圍內(nèi)交變應(yīng)力

4、水平處于彈性變形范圍內(nèi)；試驗(yàn)：試驗(yàn)： 既可以控制應(yīng)力，也可以控制應(yīng)變，試驗(yàn)方法上控制應(yīng)力容易既可以控制應(yīng)力，也可以控制應(yīng)變，試驗(yàn)方法上控制應(yīng)力容易， 高周疲勞試驗(yàn)都是在控制應(yīng)力條件下進(jìn)行的高周疲勞試驗(yàn)都是在控制應(yīng)力條件下進(jìn)行的；表征：表征： 最大應(yīng)力最大應(yīng)力 對循環(huán)壽命對循環(huán)壽命N的關(guān)系（的關(guān)系（S-N曲線）曲線） 和疲勞極限和疲勞極限 來表征材料的疲勞特性和指標(biāo)來表征材料的疲勞特性和指標(biāo) a或應(yīng)力振幅maxR疲勞極限疲勞極限 條件條件疲勞極限疲勞極限 給出一定循環(huán)周次（108或5107周次） 抗過載能力抗過載能力 缺口試樣缺口試樣 )(NR？5.3 低周疲勞低周疲勞 一般規(guī)律：交變應(yīng)力很大，

5、低周次（一般規(guī)律：交變應(yīng)力很大，低周次（10105 5）下的破壞）下的破壞 采用控制應(yīng)變的方法，即采用控制應(yīng)變的方法，即 曲線曲線 目的目的: :用光滑試樣的疲勞數(shù)據(jù)來預(yù)測缺口零件的疲勞壽命用光滑試樣的疲勞數(shù)據(jù)來預(yù)測缺口零件的疲勞壽命 N大多數(shù)工程構(gòu)件都帶有缺口，圓孔、拐角等，當(dāng)其受到周期載荷時(shí)，雖然整體上大多數(shù)工程構(gòu)件都帶有缺口，圓孔、拐角等，當(dāng)其受到周期載荷時(shí)，雖然整體上尚處在彈性變形范圍，但在應(yīng)力集中部位的材料已進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，這時(shí)，控尚處在彈性變形范圍，但在應(yīng)力集中部位的材料已進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，這時(shí)，控制材料疲勞行為的已不是名義應(yīng)力，而是局部塑性變形區(qū)的循環(huán)塑性應(yīng)變；制材料疲勞行為的

6、已不是名義應(yīng)力，而是局部塑性變形區(qū)的循環(huán)塑性應(yīng)變；零件缺口處的實(shí)際應(yīng)力不容易計(jì)算，而缺口處的真實(shí)應(yīng)變是可以測量；零件缺口處的實(shí)際應(yīng)力不容易計(jì)算，而缺口處的真實(shí)應(yīng)變是可以測量；屈服后應(yīng)變變化大應(yīng)力變化??；屈服后應(yīng)變變化大應(yīng)力變化??；因而凡屬低周疲勞問題都用應(yīng)變控制。低周疲勞也就叫做應(yīng)變疲勞。因而凡屬低周疲勞問題都用應(yīng)變控制。低周疲勞也就叫做應(yīng)變疲勞。 5.3.1 滯后回線滯后回線 循環(huán)載荷下，材料的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)載荷下，材料的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)與單調(diào)加載有很大的不同響應(yīng)與單調(diào)加載有很大的不同總應(yīng)變幅包括彈性應(yīng)變幅和塑總應(yīng)變幅包括彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅，即性應(yīng)變幅，即 pe完整的載荷循環(huán)所對應(yīng)的應(yīng)力完整的

7、載荷循環(huán)所對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲線圍成一個(gè)封閉的回線，此回線稱曲線圍成一個(gè)封閉的回線，此回線稱為滯后回線或滯后環(huán)為滯后回線或滯后環(huán)。滯后環(huán)內(nèi)的面滯后環(huán)內(nèi)的面積代表材料所吸收的塑性變形功積代表材料所吸收的塑性變形功 Ee/Ep/0p高周疲勞高周疲勞加載初期，加載初期，材料對循環(huán)加載的響應(yīng)材料對循環(huán)加載的響應(yīng)有一個(gè)由不穩(wěn)定向穩(wěn)定過渡的過程有一個(gè)由不穩(wěn)定向穩(wěn)定過渡的過程。類似于包申格效應(yīng)，材料因載荷循類似于包申格效應(yīng)，材料因載荷循環(huán)而出現(xiàn)循環(huán)硬化或循環(huán)軟化，初環(huán)而出現(xiàn)循環(huán)硬化或循環(huán)軟化，初期的滯后環(huán)并不封閉。期的滯后環(huán)并不封閉。5.3.2 循環(huán)硬化和循環(huán)軟化循環(huán)硬化和循環(huán)軟化 應(yīng)力控制下的材料循環(huán)特

8、性 應(yīng)變控制下的材料循環(huán)特征 恒定應(yīng)變時(shí)滯后回線形狀 一般，在控制應(yīng)變幅恒定的情況下，一般，在控制應(yīng)變幅恒定的情況下，對原始狀態(tài)較軟的材料，在循環(huán)加對原始狀態(tài)較軟的材料，在循環(huán)加載時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形抗力隨著加載載時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形抗力隨著加載周次增加，是硬化現(xiàn)象；反之，對周次增加，是硬化現(xiàn)象；反之，對原始狀態(tài)為強(qiáng)度或硬度較高的材料，原始狀態(tài)為強(qiáng)度或硬度較高的材料，會(huì)發(fā)生形變抗力隨周次的增加而降會(huì)發(fā)生形變抗力隨周次的增加而降低，就是軟化現(xiàn)象。低，就是軟化現(xiàn)象。 危險(xiǎn)！危險(xiǎn)！5.3.3 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 循環(huán)循環(huán) 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線：各穩(wěn)定滯后回線的頂點(diǎn)的連線各穩(wěn)定滯后回線的

9、頂點(diǎn)的連線 nPK)2(2 為循環(huán)變硬化指數(shù)，對大多數(shù)金屬材料， =0.10.2 nK,為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)nnPeKE1)2(22225.4熱疲勞熱疲勞 由熱應(yīng)力或熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用下引起疲勞稱為熱疲勞。由熱應(yīng)力或熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用下引起疲勞稱為熱疲勞。 Tll長度為l的桿，兩端固定，溫度由零上升到T。假設(shè)桿為兩端自由，線膨脹系數(shù)為a，則桿的伸長為 由于桿的兩端固定，使桿不能自由伸長，故以上伸長量成為桿的壓縮變形量，其壓變?yōu)?Tll設(shè)材料的彈性模量為E，則溫度升高而產(chǎn)生的壓應(yīng)力為 TEE這時(shí)，即使不加外力，物體也產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力稱為熱應(yīng)力 在零件和構(gòu)件中產(chǎn)生熱應(yīng)力的原因：（1）零件的

10、熱膨脹或冷收縮受外界的約束；（2）兩組裝件之間有溫差；（3）某一零件中有溫度梯度；（4）線脹系數(shù)不同的材料相組合。 如桿加熱到溫度T2后被固定起來，則當(dāng)桿冷卻時(shí)在桿中便產(chǎn)生拉應(yīng)力。如果這個(gè)應(yīng)力很大，桿就可能產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)溫度冷卻到T1（T1 T2）時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)相當(dāng)于圖點(diǎn)1。如將桿再加熱到溫度T2，應(yīng)力-應(yīng)變的遲滯回線就達(dá)到圖上的 點(diǎn)。若反復(fù)施加這樣的溫度循環(huán)，就可畫出遲滯回線1 ，最后發(fā)生熱疲勞。 2212 1 5.5 疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展 快速擴(kuò)展：快速擴(kuò)展： 慢速擴(kuò)展：慢速擴(kuò)展：v 大缺陷可檢測大缺陷可檢測v 循環(huán)載荷下滋生并循環(huán)載荷下滋生并/ /或逐漸長大的裂紋更危險(xiǎn)或逐漸長

11、大的裂紋更危險(xiǎn)EaG2臨界（失穩(wěn)）擴(kuò)展臨界（失穩(wěn)）擴(kuò)展亞臨界（穩(wěn)態(tài)）擴(kuò)展亞臨界（穩(wěn)態(tài)）擴(kuò)展5.5.1 應(yīng)力、裂紋長度與疲勞裂紋擴(kuò)展的關(guān)系應(yīng)力、裂紋長度與疲勞裂紋擴(kuò)展的關(guān)系 ParisParis經(jīng)驗(yàn)方程經(jīng)驗(yàn)方程：如果把裂紋擴(kuò)展的每一微小過程看成是裂紋體小區(qū)如果把裂紋擴(kuò)展的每一微小過程看成是裂紋體小區(qū)域的斷裂過程，域的斷裂過程，則可則可設(shè)想應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度設(shè)想應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度 是疲勞裂是疲勞裂紋擴(kuò)展的控制因子紋擴(kuò)展的控制因子minmaxKKKmKCdNda/da/dN為裂紋擴(kuò)展速率；C、m為與材料和環(huán)境有關(guān)的常數(shù) 適用中等應(yīng)力強(qiáng)度水平疲勞裂紋擴(kuò)展 應(yīng)力水平越高，裂紋擴(kuò)展越快。裂紋尺寸越大，裂紋擴(kuò)展

12、越快 裂紋擴(kuò)展的全過程裂紋擴(kuò)展的全過程雙對數(shù)坐標(biāo)中，da/dN-KI 區(qū)： th，裂紋擴(kuò)展速率先快后緩Paris,Paris,估算壽命KKIII區(qū)：裂紋擴(kuò)展速率再次加快，Kmax= KIc時(shí)，斷裂 th控制控制 & & II 區(qū)設(shè)計(jì)區(qū)設(shè)計(jì) ? ?K5.5.2 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算 在在Paris公式有效范圍，取公式有效范圍，取 ，則有，則有 aYK1maYCdNda)(2/2/)(mmmmaCYdadNmmmmmcNcCYmaadNNc)()21 (2/210210220)(InCYaaNcc(m2) (m=2) 5.6 疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)理疲勞裂紋萌

13、生和擴(kuò)展機(jī)理 5.6.1 疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生 兩個(gè)滑移系交替動(dòng)作,一個(gè)循環(huán)周次之后，分別形成一個(gè)擠出帶和一個(gè)侵入溝,隨循環(huán)周次增加，擠出帶更凸起，侵入溝更凹進(jìn) 1滑移滑移 2位錯(cuò)位錯(cuò) 異號(hào)位錯(cuò)相消，空位聚集成微裂紋 5接觸接觸 表面情況強(qiáng)度（MPa）工廠剛制得受砂子嚴(yán)重沖刷后用酸腐蝕除去表面缺陷后45.514.01750直徑為6.4mm的玻璃棒，在不同情況下測得的強(qiáng)度 接觸損傷模型 6 6加工加工5.6.2 疲勞裂紋擴(kuò)展的方式和機(jī)理疲勞裂紋擴(kuò)展的方式和機(jī)理 張應(yīng)力張開、張應(yīng)力張開、壓應(yīng)力閉合壓應(yīng)力閉合循環(huán)、漸進(jìn)循環(huán)、漸進(jìn)張開、擴(kuò)展張開、擴(kuò)展鈍化鈍化銳化銳化閉合、增量閉合、增量5.7防

14、止裂紋萌生與擴(kuò)展的措施防止裂紋萌生與擴(kuò)展的措施A 控制裂紋的成核控制裂紋的成核/ /擴(kuò)展擴(kuò)展 th與晶粒尺寸、屈服應(yīng)力有關(guān)：隨材料不同而異與晶粒尺寸、屈服應(yīng)力有關(guān)：隨材料不同而異斷裂型斷裂型（致密、脆性材料）：損壞取決于裂紋萌生（萌生難、擴(kuò)展易），（致密、脆性材料）：損壞取決于裂紋萌生（萌生難、擴(kuò)展易），控制萌生（否則只要產(chǎn)生就擴(kuò)展），控制萌生（否則只要產(chǎn)生就擴(kuò)展），屈服應(yīng)力，屈服應(yīng)力，晶粒尺寸，晶粒尺寸， thth；損傷型損傷型（疏松、塑性材料）：損壞取決于擴(kuò)展（萌生易、擴(kuò)展難），（疏松、塑性材料）：損壞取決于擴(kuò)展（萌生易、擴(kuò)展難），控制擴(kuò)展，控制擴(kuò)展，rr， ththKKKB表面處理表面處

15、理：機(jī)械處理：研磨、拋光；機(jī)械處理：研磨、拋光；物理處理：噴丸（在表面形成殘余壓應(yīng)力層）；物理處理：噴丸（在表面形成殘余壓應(yīng)力層）；化學(xué)處理：滲硬質(zhì)大顆粒、電鍍、離子強(qiáng)化、相變；化學(xué)處理：滲硬質(zhì)大顆粒、電鍍、離子強(qiáng)化、相變；熱處理：鋼化玻璃熱處理：鋼化玻璃C設(shè)計(jì)方面設(shè)計(jì)方面：張應(yīng)力危險(xiǎn)，壓應(yīng)力促使裂紋閉合張應(yīng)力危險(xiǎn)，壓應(yīng)力促使裂紋閉合避免應(yīng)力集中：導(dǎo)角；避免應(yīng)力集中：導(dǎo)角；避免張應(yīng)力：過盈配合；避免張應(yīng)力：過盈配合；應(yīng)力釋放：應(yīng)力釋放：作業(yè)：作業(yè)：1 1什么叫低周疲勞和高周疲勞什么叫低周疲勞和高周疲勞?為什么高周疲勞多用應(yīng)力控制，為什么高周疲勞多用應(yīng)力控制，低周疲勞多用應(yīng)變控制低周疲勞多用應(yīng)變

16、控制? 2 2 裂紋慢速擴(kuò)展與快速擴(kuò)展的聯(lián)系與區(qū)別裂紋慢速擴(kuò)展與快速擴(kuò)展的聯(lián)系與區(qū)別3 3 什么是疲勞裂紋門檻值，哪些因素影響其大小什么是疲勞裂紋門檻值，哪些因素影響其大小?它有什么實(shí)它有什么實(shí)用價(jià)值用價(jià)值?裂紋擴(kuò)展門檻值的意義裂紋擴(kuò)展門檻值的意義4 4 熱疲勞及其產(chǎn)生原因熱疲勞及其產(chǎn)生原因5 5 疲勞壽命預(yù)測原理疲勞壽命預(yù)測原理6 6 敘述產(chǎn)生疲勞裂紋的各種機(jī)制敘述產(chǎn)生疲勞裂紋的各種機(jī)制7 7 裂紋擴(kuò)展機(jī)理裂紋擴(kuò)展機(jī)理8 防止裂紋萌生與擴(kuò)展的措施防止裂紋萌生與擴(kuò)展的措施 0()ndaCKdNICK00thaK 9. 在無限大厚板的中心有一個(gè)長度為2a0的穿透裂紋；如厚板在使用過程中受到幅度為、方向?yàn)榇怪庇诹鸭y面的脈動(dòng)應(yīng)力作用